手性媒质中结构光场的自旋/轨道角动量及其相互作用研究

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近年来,结构光场由于其独特的物理性质和新颖的物理效应以及极具潜力的应用前景,成为光学和光电子学领域的研究热点。作为一种特殊形式存在的电磁波,具有特定振幅、相位和偏振态分布的结构光场与物质相互作用过程中伴随着光子能量的传递和光子动量、角动量的转移,同时呈现出旋转多普勒效应、全光开关效应、自旋霍尔效应、横向自旋、螺旋突变、和手性依赖等一系列新颖的物理效应和现象。另一方面,手性物质在自然界中广泛存在,对于手性物质的研究是一项基础且重要的课题,手性物质在生命科学、药物研发,精细化加工和超材料等领域有广泛的应用。本论文将具有特殊振幅、相位和偏振态分布的的结构光场引入手性物质的研究中,分析手性媒质中结构光场的自旋/轨道角动量及其相互作用,完成主要的内容如下:1.通过矢量势方法、矢量角谱展开方法及其混合方法推导了拉盖尔高斯光场、贝塞尔光场和艾里光场等典型结构光场的电磁场分量表达式,并给出了详细的数值模拟结果,对结构光场的特点进行了分析。2.基于柯林斯公式和手性媒质的ABCD矩阵,推导了手性媒质中拉盖尔高斯光场、贝塞尔光场和艾里光场等典型结构光场的传输表达式,分析了光场的传输特性;建立了手性媒质界面结构光场反射和折射的全矢量理论分析模型,并以拉盖尔高斯光场为例推导了不同极化状态下光场在介质界面反射和折射后的电磁场分量表达式,分析了入射角对反射和折射后的光场分布的影响。3.根据结构光场电磁分量的表达式与GH和IF位移的定义,验证了分别从场表达式和角谱表达式两种计算方法的等效性,同时给出了拉盖尔高斯光场、贝塞尔光场和艾里光场的横向和纵向空间角向位移表达式,并对影响位移的因素进行了分析;对在手性媒质界面反射和折射后拉盖尔高斯光场的自旋和轨道角动量的分量随入射角变化的情况进行了分析,着重研究了拓扑荷数和极化状态对自旋和轨道角动量的影响,探讨了手性媒质中结构光场的自旋与轨道角动量之间的相互作用。
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